侧限压缩试验：土力学与地基基础研究成果

在试验室用侧限压缩仪（亦称固结仪）进行压缩试验，是研究土压缩性的最基本方法。试验仪器如图4-4所示。压缩试验的目的就是确定土样所受荷载与土中孔隙体积改变量之间的关系。

图4-4　固结仪的压缩容器示意图

试验时，用内壁涂抹凡士林的金属环刀切去天然土样，并放于刚性很大的压缩环内，来限制土样的侧向变形；在土样的上、下表面垫设滤纸和透水石，以使在压缩过程中土中水能顺利排出。由于土样受到环刀、刚性护环的约束，在压缩过程中只能发生竖向变形，不能发生侧向变形，所以这种试验方法称为侧限压缩试验，常简称为压缩试验或固结试验。

试验时，通过加压活塞向土样施加5级竖向荷载：50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。首先施加荷载p1，待土样变形稳定后，可用百分表测得其高度变化量ΔH1；然后，将压力升至p2，待土样变形稳定后，可测得土样的压缩量ΔH2。如此下去，测量土样各级荷载下的压缩量ΔHi。

如前所述，土的压缩主要是由于孔隙体积的减小引起的，因此土的压缩变形常用孔隙比e的变化来表示。下面导出各级压力Pi作用下土样竖向变形稳定后的孔隙比ei的计算公式。

图4-5　侧限条件下土样原始孔隙比的变化

在压缩试验过程中，我们可以通过百分表测量出土样的高度变化ΔHi（即土样的压缩量），如图4-5所示。土样的初始高度为H，横截面面积为A，初始孔隙比为e0。在第i级竖向应力Pi作用下，变形稳定后的压缩量为ΔHi，土样高度变为H－ΔHi，土样的孔隙比从e0减小到ei。由于在试验过程中土样不能侧向变形，所以压缩前后土样横截面积A保持不变；同时，由于土颗粒本身的压缩变形可以忽略不计，即压缩前后土样中土颗粒的体积Vs也是不变的，土颗粒的高度hs＝Vs/A，也是不变的，则有

式中　Vs——土样中土颗粒体积（cm3）；

　　　hs——土样中土颗粒高度（cm）；(www.xing528.com)

　　　A——土样底面积（cm3）；

　　　H——土样原始高度（cm）；

　　　e0——土样初始孔隙比（由三相基本比例指标试验确定）；

　　　ei——土样在第i级竖向应力Pi作用下变形稳定后的孔隙比。

利用式（4-2）和式（4-3）分别求出hs的计算公式。

式中　ΔHi——土样在第i级竖向应力Pi作用下变形稳定后的压缩量（cm）。

这样，只要测定了土样在各级压力Pi作用下的稳定变形量ΔHi后，就可以按上式计算出孔隙比ei。将压缩试验结果绘制成曲线，称为压缩曲线，可以按两种方式绘制，一种以竖向有效应力p为横坐标，孔隙比e为纵坐标，绘制出孔隙比与有效应力的关系曲线，即压缩曲线，又称e-p曲线，如图4-6（a）所示。一种用半对数直角坐标绘图，则得到e-lgp曲线，如图4-6（b）所示。

图4-6　土的压缩曲线

对于不同的土，其压缩曲线的形状不同，反映土体不同的压缩性质。压缩曲线越陡，说明随着压力的增加，土中孔隙比的减小越显著，土的压缩性也就越高，土质越软。从图4-6可以看出，软黏土的压缩性要比密实砂土的压缩性高得多。

另外，土的压缩曲线一般随压力的增大而逐渐趋于平缓，即在侧限条件下土开始压缩较快，而后逐渐趋于稳定。压缩稳定的快慢与土的性质有关，对于饱和土体而言，主要取决于土样的透水性。透水性强，稳定越快；透水性弱，稳定越慢。